[发明专利]抑制涡轮顶部泄漏流动的球底棱柱凹腔叶顶

说明书

本发明提供了一种抑制涡轮顶部泄漏流动的球底棱柱凹腔叶顶，在涡轮动叶片的叶顶从涡轮动叶片的前缘到尾缘设有若干个棱柱型凹腔，在每个棱柱型凹腔的底面组合一个圆截面与棱柱型凹腔的下底面内切的球底结构，棱柱型凹腔的最大高度与叶片高度的比值为0.5％‑4％。本发明在单个凹腔内形成旋涡结构并发展到其上间隙内，耗散间隙动能的同时形成了一个个小尺寸气动屏障，增加泄漏流体流动阻力。球底棱柱组合凹腔结构使得凹腔内流体基本沿切线作用于球底壁面，由于球底结构光滑的弧形过渡，减小了旋涡发展的阻力，使得腔内形成的旋涡发展更完全，具有更大的尺寸，对间隙内流动阻碍作用增强，进而可以达到更好的控制叶尖泄漏流动的效果。

技术领域

本发明创造属于涡轮技术领域，尤其是涉及一种抑制涡轮顶部泄漏流动的球底棱柱凹腔叶顶。

背景技术

涡轮是燃气涡轮发动机三大核心部件之一，其作用是将高温高压燃气的气体焓转换为燃气动能对涡轮叶片做功，进而输出机械功。随着高性能涡轮负荷的增大，又带来了一个不容忽视的问题：随着涡轮负荷的增加，叶栅通道内的横向压力梯度增大，而涡轮动叶叶尖与机匣间间隙的存在，导致动叶叶尖由压力面流向吸力面的间隙泄漏流动愈加明显，带来更加复杂的顶部端区流动，增加涡轮的气动损失。特别是近年来高性能、高负荷、大折转角、小展弦比涡轮越来越广泛的应用，间隙流动的速度增大，由泄漏流动带来的端区流动更加复杂，产生的分离流动及各种涡系结构导致涡轮损失明显增加。研究叶顶间隙泄漏流动机制，设计并改进泄漏流动控制方法，对于减小涡轮叶栅损失、提高涡轮乃至整个发动机的性能有着重要的意义。

蜂窝密封是一种典型的现代密封结构，由于其优良的密封特性和对高温、高压恶劣条件良好的适应性，在恶劣环境密封方面具有广泛的应用，国内外学者也对其进行了一系列的研究。现有研究中蜂窝密封结构大都整周安装在叶顶静止机匣上，与叶顶附近的通道流体接触面积较大，不可避免地带来额外损失的增加。

另外，在对带有棱柱型凹腔叶顶的涡轮动叶片的研究中表明，这种动叶片叶顶设计可以有效地控制涡轮叶尖泄漏流动，使得间隙泄漏流量和叶栅损失都降低。但这种平底棱柱型凹腔结构还存在一些不足。一方面由于间隙内流体流速较大，部分棱柱凹腔形成的旋涡被压制在凹腔内形成气流死区，减弱了棱柱型凹腔叶顶结构对泄漏流动的抑制作用；另一方面棱柱凹腔的底面直接受到泄漏流体的冲击，会承受较大热负荷。因此，有必要对正棱柱凹腔结构进行进一步的研究，强化棱柱凹腔内旋涡的作用，并有效改善泄漏流动对凹腔壁面的冲击问题。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种抑制涡轮顶部泄漏流动的球底棱柱凹腔叶顶，在单个凹腔内形成旋涡结构并发展到其上间隙内，耗散间隙动能的同时形成了一个个小尺寸气动屏障，增加泄漏流体流动阻力。球底棱柱组合凹腔结构使得凹腔内流体基本沿切线作用于球底壁面，使得腔内形成的旋涡发展更完全，具有更大的尺寸，对其上间隙内流动的阻碍作用更明显，进而达到更好的控制叶尖泄漏流动的效果。另外，也减小了泄漏流体对凹腔底部的直接冲击作用。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种抑制涡轮顶部泄漏流动的球底棱柱凹腔叶顶，在涡轮动叶片的叶顶从涡轮动叶片的前缘到尾缘设有若干个棱柱型凹腔，在每个所述的棱柱型凹腔的底面组合一个圆截面与棱柱型凹腔的下底面内切的球底结构，形成棱柱球底组合凹腔，所述的棱柱型凹腔的最大高度h与叶片高度H的比值为0.5％-4％。

进一步的，所述棱柱型凹腔排布形式为棱柱边或角正对叶片几何进气角方向、叶栅压力面型线方向或叶栅吸力面型线方向。

进一步的，所述棱柱型凹腔为正棱柱型凹腔或斜棱柱型型凹腔。

进一步的，所述球底结构的球底相对几何深度h_s定义为其实际深度与对应内切球直径的比值，其最大值为正六棱柱凹腔下底面对边距的一半时，球底结构为半球结构。

进一步的，所述棱柱型凹腔的棱柱边长要保证涡轮动叶片的叶顶至少能布置一个有效凹腔。